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Surrounding characteristics of preferential flow in cultivated typical black soils of Northeast China.

典型黑土耕地土壤优先流环绕特征


以典型黑土耕地土壤为研究对象,采用双环入渗仪和染色示踪技术相结合的方法,通过对图片的判读,测定与分析了染色宽度、横纵剖面染色百分比和田间最大染色深度,以研究典型黑土耕地土壤的水分运移形式及其分布特征.结果表明: 在0~15 cm土层范围内,水分的运移以基质流为主;15~20 cm范围内,有侧向入渗发生,平均染色宽度和染色百分比均在此层达到最大值,分别为23 cm和20.73%;20~67 cm范围内,水分的运移则以大孔隙流为主,优先路径主要是裂缝和大孔隙,其中,20~35 cm范围内的大量裂缝使优先流表现出明显的环绕特征;而在40~67 cm范围内,优先路径的形成则以连通性良好的大孔隙为主.由于裂缝和大孔隙2种优先路径的存在,使水分在土壤中的运移速度增加了4.5倍,这不仅可能造成水分损失,而且可能加速农药迁移造成地下水污染.建议在黑土区土壤的耕作和经营过程中,应当减少和消除这些优先路径.

Taking the cultivated soils in typical black soil region of Northeast China as test objects, and by using dye tracer and double-ring infiltrometer techniques and photograph interpretation method, this paper measured and analyzed the dye-stained width and dye-stained coverage of soil transverse and longitudinal sections as well as the field maximum dye-stained depth, aimed to approach the water flow movement pattern and distribution characteristics in test soils. At soil depth 0-15 cm, matrix flow was the main soil water flow movement pattern; at depth 15-20 cm, lateral flow was observed, and the average dye-stained width and dye-stained coverage reached their maximum, being 23 cm and 20.73 %, respectively. At depth 20-67 cm, the main soil water flow movement pattern was macro-pore flow, with cracks and macro-pores as the main preferential routes. The cracks at depth 20-35 cm made the preferential flow have distinct surrounding characteristics, and the macro-pores at depth 40-67 cm were the main preferential routes. Due to the existence of the preferential routes of cracks and macro-pores, the migration velocity of water in soil increased by 4.5 times, which could not only cause water loss, but also accelerate the migration of pesticides to ground water. It was suggested that these preferential routes should be decreased or eliminated during the cultivation and management on cultivated typical black soils.


全 文 :典型黑土耕地土壤优先流环绕特征*
蒋小金摇 王恩姮摇 陈祥伟**摇 夏祥友摇 史长婷
(东北林业大学林学院, 哈尔滨 150040)
摘摇 要摇 以典型黑土耕地土壤为研究对象,采用双环入渗仪和染色示踪技术相结合的方法,
通过对图片的判读,测定与分析了染色宽度、横纵剖面染色百分比和田间最大染色深度,以研
究典型黑土耕地土壤的水分运移形式及其分布特征.结果表明: 在 0 ~ 15 cm 土层范围内,水
分的运移以基质流为主;15 ~ 20 cm范围内,有侧向入渗发生,平均染色宽度和染色百分比均
在此层达到最大值,分别为 23 cm和 20郾 73% ;20 ~ 67 cm范围内,水分的运移则以大孔隙流为
主,优先路径主要是裂缝和大孔隙,其中,20 ~ 35 cm 范围内的大量裂缝使优先流表现出明显
的环绕特征;而在 40 ~ 67 cm范围内,优先路径的形成则以连通性良好的大孔隙为主.由于裂
缝和大孔隙 2 种优先路径的存在,使水分在土壤中的运移速度增加了 4郾 5 倍,这不仅可能造
成水分损失,而且可能加速农药迁移造成地下水污染.建议在黑土区土壤的耕作和经营过程
中,应当减少和消除这些优先路径.
关键词摇 典型黑土摇 优先流摇 染色示踪摇 环绕特征
文章编号摇 1001-9332(2010)12-3127-06摇 中图分类号摇 S152. 7摇 文献标识码摇 A
Surrounding characteristics of preferential flow in cultivated typical black soils of Northeast
China. JIANG Xiao鄄jin, WANG En鄄heng, CHEN Xiang鄄wei, XIA Xiang鄄you, SHI Chang鄄ting
(School of Forestry, Northeast Forestry University, Harbin 150040, China) . 鄄Chin. J. Appl. Ecol. ,
2010,21(12): 3127-3132.
Abstract: Taking the cultivated soils in typical black soil region of Northeast China as test objects,
and by using dye tracer and double鄄ring infiltrometer techniques and photograph interpretation meth鄄
od, this paper measured and analyzed the dye鄄stained width and dye鄄stained coverage of soil trans鄄
verse and longitudinal sections as well as the field maximum dye鄄stained depth, aimed to approach
the water flow movement pattern and distribution characteristics in test soils. At soil depth 0 -15
cm, matrix flow was the main soil water flow movement pattern; at depth 15-20 cm, lateral flow
was observed, and the average dye鄄stained width and dye鄄stained coverage reached their maximum,
being 23 cm and 20郾 73 % , respectively. At depth 20-67 cm, the main soil water flow movement
pattern was macro鄄pore flow, with cracks and macro鄄pores as the main preferential routes. The
cracks at depth 20-35 cm made the preferential flow have distinct surrounding characteristics, and
the macro鄄pores at depth 40-67 cm were the main preferential routes. Due to the existence of the
preferential routes of cracks and macro鄄pores, the migration velocity of water in soil increased by
4郾 5 times, which could not only cause water loss, but also accelerate the migration of pesticides to
ground water. It was suggested that these preferential routes should be decreased or eliminated dur鄄
ing the cultivation and management on cultivated typical black soils.
Key words: typical black soil; preferential flow; dye tracer; surrounding characteristics.
*国家自然科学基金项目(30872068)和黑龙江省科技攻关重点项
目(GA06B302鄄3)资助.
**通讯作者. E鄄mail: chenxwnefu@ yahoo. com. cn
2010鄄06鄄17 收稿,2010鄄09鄄26 接受.
摇 摇 优先流(preferential flow)是指土壤在整个入流
边界上接受补给,但水分和溶质环绕土壤基质,沿着
一些孔隙、裂缝等路径集中并快速地优先迁移现
象[1-4] .优先流的发生是由土壤的异质性造成的,并
在自然非饱和土壤中普遍存在[5-6] . 有关优先流特
征的研究主要集中在优先流的环绕特征[7]、非平衡
特征[8]、快速穿透特征[7,9]、侧向入渗特征[10-11]、水
流与土体间的相互作用特征[12]、穿透曲线的不对称
和拖尾特征[13-14]等方面.染色示踪技术是研究优先
应 用 生 态 学 报摇 2010 年 12 月摇 第 21 卷摇 第 12 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇
Chinese Journal of Applied Ecology, Dec. 2010,21(12): 3127-3132
流环绕特征的重要手段[8],王康等[15] 和程竹华
等[16]应用该技术研究了田间土壤水非均匀运动规
律和土壤优势流的发生程度,但没有涉及到优先流
的环绕特征和优先路径;牛健植等[7]应用该技术研
究了贡嘎山暗针叶林生态系统土壤优先流的环绕特
征,并对优先路径做了标记;李文凤等[17]采用双环
入渗仪和染色示踪技术相结合的方法,研究了典型
黑土区不同耕作方式下黑土的优先流特征,并标记
出优先路径,但由于剖面开挖尺度过小,染色图片未
经分类,致使其未能从横纵剖面角度观察到优先流
的环绕特征.
东北黑土区是我国主要的粮豆生产基地和重要
的商品粮生产基地. 由于田间土壤中优先路径的存
在,不仅导致水分和养分不能被作物充分利用、造成
资源浪费、增加农业投入,而且导致农药、重金属污
染地下水等严重的环境问题[5-6,14] . 为此,本研究采
用双环入渗仪和染色示踪技术相结合的方法,对典
型黑土耕地土壤优先流的环绕特征进行探讨,并标
记优先路径,以期为黑土耕作过程中高效利用水分
和养分,减少农药和化肥对环境的污染等提供理论
依据.
1摇 研究地区与研究方法
1郾 1摇 研究区概况
研究地点位于黑龙江省西北部的克山农场(48毅
12忆—48毅23忆 N,125毅08忆—125毅37忆 E),属克拜漫川漫
岗地带,海拔 240 ~ 340 m,平均坡度 3毅.区域内土
壤类型以黑土为主,只在部分低洼处镶嵌分布少量
的草甸土,为典型黑土区.该区温带大陆性季风气候
特征明显,年平均气温 0郾 9 益,逸 10 益有效积温
2296郾 2 益,年平均降水量 501郾 7 mm,平均蒸发量
1329郾 4 mm,无霜期 115 d,土壤结冻期从 11 月初至
翌年 6 月中旬,最大冻结深度可达 2郾 5 m.试验区域
表层土壤主要理化性质:机械组成为粘壤土(砂粒
36郾 7% ,粉粒 31郾 9% ,粘粒 31郾 4% ),容重 1郾 12 g·
cm-3,总孔隙度 48郾 4% ,田间持水量 38郾 6% ,有机质
含量 5郾 24% ,pH 6郾 2.
1郾 2摇 研究方法
1郾 2郾 1 样地选择和双环入渗仪安置摇 在克山农场 26
连队,选择地势平坦、连续机械作业、前茬作物为大
豆的耕地,设置 5 m伊10 m的试验样地.将试验样地
整平到与垄沟同一高度后,机械布设 3 个样点安置
双环入渗仪,样点间隔 1郾 0 m.双环入渗仪的内环直
径为 16 cm、外环直径为 32 cm,内外环均高 25 cm,
内外环楔入土中的深度均为 10 cm.
1郾 2郾 2 染色示踪试验和图片获得摇 试验于 2009 年 8
月 28 日—9 月 3 日进行.染色示踪剂选用亮蓝染色
剂(FCF),浓度为 4郾 0 kg·m-3 [18-20] .双环入渗仪的
压力水头设置为 10 cm,内环添加亮蓝溶液,外环加
水,秒表记时,达到稳渗时结束试验[21],3 次重复.
为防止雨水冲刷,用塑料布盖好,在塑料布和土壤表
面之间留有 5 cm 的空间,利于空气自由流动[21] .
24 h后开挖剖面,用相机拍照记录染色剖面,图像以
tif格式存储.水平铲除表层 10 cm的土壤,在距双环
入渗仪中心一侧的 20、14、8、4 和 0 cm处挖掘 60 cm
伊110 cm纵剖面并拍照记录;另一侧的染色区域水
平挖掘 30 cm伊60 cm 横剖面用于拍照记录,其中,
10 ~ 20 cm每隔 1 cm拍照记录 1 次,20 ~ 30 cm每隔
2 cm拍照记录 1 次,30 cm以下每隔 5 cm拍照记录
1 次,直到染色消失为止.为便于拍照准确和图片的
几何校正[22-24],制定 2 个框架,用于纵剖面的规格
为 50 cm伊100 cm、横剖面的规格是 20 cm伊50 cm.
1郾 2郾 3 图片处理和指标测定摇 照片由 Photoshop 9郾 0
软件前期处理,通过镜头校正,剪切只留下框架内的
部分,调整颜色,滤去未染色的土壤,只保留被亮蓝
染色的土壤[25-26] . 采用 ERDAS IMAGINE 9郾 0 软件
进行几何校正和非监督分类[27],并测得实际染色面
积(cm2)和纵剖面上每隔 2郾 0 cm的染色宽度(cm),
用实际染色面积(cm2)换算占整个图片面积的染色
百分比(% ). 最大染色深度( cm)在田间用米尺测
量,取 3 次重复的平均值. 最后用 Photoshop 9郾 0 软
件绘制成带刻度的横纵剖面染料分布图,用 Sigma鄄
Plot 10郾 0 软件对数据进行处理.
2摇 结果与分析
2郾 1摇 土壤染色结果
图 1 为土壤不同深度处横剖面染料分布图,反
映了入渗结束后该试验样地不同深度处土壤的染色
特征.由于研究土壤在不同深度处存在孔隙结构上
的异质性,导致不同土壤深度处是否发生优先流以
及发生优先流的形式不同. 10 ~ 15 cm 范围的土壤
质地均匀、结构疏松,土壤被亮蓝溶液完全均匀染
色,水分运移形式以基质流为主;而 15 ~ 20 cm范围
内的土壤由于受到大机械作业的压实积累作用,导
致土壤结构紧实,形成透水性不良的犁底层,阻碍和
延滞了水分向下入渗,从而出现大量的侧向入渗;
20 ~ 35 cm范围的土壤虽然形成了结构较紧实的心
土层,但在该层中出现大量裂缝;而在 40 ~ 67 cm范
8213 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
图 1摇 不同深度土壤亮蓝染色图片
Fig. 1摇 Photos of soil stained by FCF in different depths.
围的底土层中,出现发育良好的大孔隙.裂缝和孔隙
的出现使优先流表现为大孔隙流[28] .
2郾 2摇 纵剖面染料分布特征
纵剖面染料分布图(图 2)可定性表明亮蓝溶液
在土壤中入渗后分布在垂直方向上的特征和模式,
而染色宽度(图 3)可定量表明在纵剖面上染色幅度
随土壤深度的变化特点.从图 2 可以看出,该试验地
土壤有优先流现象发生,并且环绕特征明显.具体表
现为:当到双环入渗仪中心的距离 d = 14 cm 时,染
料分布在地下 20 ~ 40 cm,从垂直面上看,染料分布
偏离双环入渗仪内环的位置,宽度在 6 ~ 26 cm,形
状为两个孤立的块状,表明在试验过程中该点土壤
中发生了侧向入渗;当 d=8 cm时,染料分布在地下
10 ~ 52 cm,宽度在 6 ~ 35 cm,垂直面在 10 ~ 33 cm,
是连续的分布面,其余为两个孤立的块状,总体上分
布面扩大;当 d = 4 cm 时,染料分布在地下 10 ~ 54
cm,在宽度上的分布也增大,为 2 ~ 42 cm,整体来
看,染料分布面增大,且较连续,20 cm 以上的垂直
面上染料均匀分布,在 20 ~ 40 cm染料分布面扩大,
向左偏移,断断续续成块状;当 d = 0 cm 时,即在双
环入渗仪内环中心正下方时,分布面在深度和宽度
上均增大到最大值,具体为染料分布在地下 10 ~ 60
cm,且集中在 10 ~ 40 cm,宽度在 4 ~ 48 cm,20 cm
以上的垂直面上染料均匀分布,且分布面扩大.总体
来看,随着染色剖面离染色中心距离的不断减小,染
料分布面在深度和宽度上不断增加,导致染色面积
逐渐增加.从图 3 可以看出,d = 0 cm 处的纵剖面上
染色宽度表现出先增大后减小的趋势,在 15 ~ 20
cm达到最大值(23 cm).
综上,土壤在不同深度处孔隙结构存在异质性,
导致入渗的亮蓝溶液在纵剖面上分布不同 . 在d =
图 2摇 土壤纵剖面亮蓝染色非监督分类图
Fig. 2摇 Unsupervised classified patterns of soil longitudinal sec鄄
tions stained by FCF.
双环入渗仪中心位于横坐标 25 cm 处;d 为纵剖面到双环入渗仪中
心的距离 The centre of double鄄ring infiltrometer was on the 25 cm of
horizontal ordinate; d was the distance from the vertical section to the
center of double鄄ring infiltrometer.
14 cm处的纵剖面上,染料分布呈两个块状,说明有
侧向入渗发生.在 d=0 cm的纵剖面上,染料在 10 ~
15 cm范围内均匀分布,表明入渗时水分运移以基
质流为主;染料在 15 ~ 20 cm 范围内的横向扩大分
布表明有侧向入渗发生;染料在 20 ~ 35 cm 范围内
的环形分布,表现出环绕特征,且明显于 40 ~ 67 cm
范围内的环绕特征.
2郾 3摇 横剖面染料分布特征
横剖面染料分布图(图 4)可定性表明亮蓝溶液
在土壤中入渗时在水平方向上的分布特征和模式,
图 3摇 土壤纵剖面平均染色宽度分布
Fig. 3摇 Distribution of average dye鄄stained width in soil longitu鄄
dinal profile.
921312 期摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 蒋小金等: 典型黑土耕地土壤优先流环绕特征摇 摇 摇 摇 摇
图 4摇 土壤横剖面亮蓝染色非监督分类图
Fig. 4 摇 Unsupervised classified patterns of soil transverse sec鄄
tions stained by FCF.
染色百分比(图 5)可定量表明在横剖面上染色幅度
随土壤深度的变化特点.从图 4 可以看出,横剖面上
土壤水分运移的形式在 20 cm 以下以优先流为主,
并表现出环绕特征. 结合图 4 和图 5 可以看出,在
10 ~ 15 cm范围内,染料集中在双环入渗仪内环面
内,分布均匀,形状规则,染色百分比逐渐增大,表明
图 5摇 土壤横剖面平均染色百分比分布
Fig. 5摇 Distribution of average dye鄄stained coverage in soil trans鄄
verse sections.
水分运移以基质流为主;在 16 ~ 20 cm范围内,染料
分布面逐渐偏离双环入渗仪的内环面,分布侧向左
面,染色百分比增大到最大值,表明该处在入渗时发
生侧向入渗;20 cm以下,染料分布明显偏离双环入
渗仪内环面,内环左右都有分布,主要分布在左侧,
染色百分比逐渐减小,表明有环绕特征.由图 5 可以
看出,染色百分比随土壤深度增加先增大后减小,且
在 15 ~ 20 cm范围内达到最大值(20郾 73% ).
摇 摇 综上,土壤在不同深度处存在异质性,导致入渗
的亮蓝溶液在横剖面上分布不同. 染料在 10 ~ 16
cm范围内的均匀分布表明入渗时水分运移以基质
流为主,在 16 ~ 20 cm 范围内的扩大分布表明有侧
向入渗发生,在 20 cm 以下的不规则分布表明水分
运移以优先流为主,且环绕特征明显.
2郾 4摇 快速运移和侧向入渗特征
研究过程中还发现,在 10 cm水头压下,试验时
间为 47 min,最大染色深度为 67 cm. 在相同时间
内,由于犁底层阻碍和延滞水分向下入渗,使亮蓝溶
液仅均匀运移到 15 cm 左右.但由于 20 ~ 35 cm 范
围内的裂缝和 40 cm 以下的孔隙,使大部分亮蓝溶
液优先运移到更深层.由此可以认为,这两种优先路
径的存在使亮蓝溶液在土壤中的运移速度增加了
4郾 5 倍[29],表明优先流具有快速运移特征. 随着到
双环入渗仪中心距离的不断增加,染色百分比不断
减小,距离双环入渗仪中心 0、4、8、14 cm 时的染色
百分比分别为 13郾 4% 、7郾 7% 、4郾 1%和 1郾 7% ,表现
出优先流的侧向入渗特征. 这是优先流环绕特征所
导致的.
3摇 讨摇 摇 论
染色示踪技术是一种研究优先流的常用方法.
以往采用灌溉水中添加染色剂[22]、降雨模拟器中添
加染色剂[5]或者在入渗仪中添加染色剂[17]的方法
都没有考虑时间的长短,无法区分第一时间内进入
田间土壤的水流.本次试验采用双环入渗与染色示
踪技术相结合,在 10 cm的水头供水压力作用下,使
水分充分入渗,并以稳渗时间为试验结束时间,是研
究耕地土壤优先流环绕特征的有效方法.
不同深度黑土耕地土壤孔隙结构的异质性较
强,导致水分运移形式表现出一定的差异,0 ~ 15 cm
土层范围内水流以基质流为主;15 ~ 20 cm 范围内
则发生大量侧向水流;优先流的发生出现在 20 cm
0313 应摇 用摇 生摇 态摇 学摇 报摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 摇 21 卷
以下,其中,20 ~ 35 cm以裂缝为主、40 cm以下则以
其他各种孔隙为优先路径发生大孔隙流,并且在
20 ~ 35 cm优先流的环绕特征最明显.试验过程中并
没有发现土壤动物,因此可以认为,土壤中 40 cm以
下连通性较好的孔隙可能是植物根系腐烂形成的.
针对优先流不同的特征,所采用的研究方法亦
有所不同.本试验中采用染色示踪以及剖面开挖尺
度大于实际染色面积的方法,在图片上可以清晰表
达优先流的环绕特征,并标记和区分优先路径.通过
对纵剖面染料分布图和染色宽度的分析,发现染色
百分比和染色宽度在 15 ~ 20 cm范围内增加到最大
值,这可能是由于犁底层的存在导致优先流表现出
侧向入渗特征.同时,不同深度的优先路径(如裂缝
和孔隙)使水分在土壤中的运移速度增加了 4郾 5
倍,表现出优先流的快速运移特征.但该方法的不足
之处是:由于受到双环入渗仪楔入和移开时的扰动,
无法观察到表层 0 ~ 10 cm 范围内土壤水分的运移
形式和分布特征.
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作者简介摇 蒋小金,男,1983 年生,硕士研究生.主要从事土
壤侵蚀研究. E鄄mail: Jiangxiaojinlinda@ 163. com
责任编辑摇 张凤丽
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